功率開關(guān)控制器的工作原理及典型故障分析

謝宗弟

國家廣播電視總局871臺 海南省 東方市 572633

引 言

100kW 短波發(fā)射機功率模塊和功率開關(guān)控制器的工作狀態(tài)，不僅影響發(fā)射機“三滿”安全播出的要求，還影響發(fā)射機電聲指標中雜音的等級，進而影響到播出的效果，因此維護好發(fā)射機功率模塊和功率開關(guān)控制器對做好安全播出工作尤為重要。

1 功率開關(guān)控制器工作原理

功率開關(guān)控制器安裝在功率開關(guān)模塊上，作為調(diào)制器、控制器與功率開關(guān)模塊之間的接口，可以說它是從屬于功率開關(guān)模塊的一部分，通過兩條光纜實現(xiàn)它與整個調(diào)制器、控制器系統(tǒng)之間的通訊，如圖1 所示。其中，一條光纜是把光發(fā)射器送來的“合”、“斷”光指令轉(zhuǎn)換成電信號，并去合上或拉開相應的PSM 開關(guān)；另一條光纜是對PSM 開關(guān)級進行自我檢測和實行故障保護。

如圖1 所示，兩套整流穩(wěn)壓電路將降壓變壓器T1、T2 提供的兩組12VAC 電壓整流穩(wěn)壓后，分別給出供AC 管和DC 管控制電路使用的+12VA、+12VB電源。+12VA 和+12VB 電源分別接至AC 管和DC 管的發(fā)射極，即圖中 A 和 B 點。當 AC 管和 DC管的門極都被驅(qū)動后，即功率模塊正常工作，此時A 點和B 點的電壓輸出都是700VDC，則+12VA 這組電源相對A 點說為+712VA。B 點的電壓伴隨著DC管在控制通斷工作時，該點電位在700V 和0V 兩個數(shù)值上跳變的，因此+12VB 電源隨著DC 管的導通和截止而跳變?yōu)?712VB和+12VB。因此，兩組電源在功率開關(guān)模塊正常工作時，情況是不一樣的。了解這兩組電源的特點對分析兩個控制器電路是十分重要的。

圖1 功率模塊開關(guān)電路簡圖

功率開關(guān)控制器要完成五種控制：AC 管的合、斷控制；DC 管的合、斷控制；功率開關(guān)模塊輸出端短路保護；DC 管工作狀態(tài)檢測及故障保護；發(fā)出本開關(guān)模塊狀態(tài)及外電變化信號。

1.1 電路功能進行

1.1.1 AC 管的合、斷控制

正常工作時，AC 管是常通的。下面介紹AC 管的常通狀態(tài)控制的電路，如圖2 所示。

圖2 AC 管常通狀態(tài)控制下的電路圖

加電后，功率開關(guān)控制器輸出的+12VA 電源，通過R3 和穩(wěn)壓管 VR1 使 C 點得到 5.1V 電壓加至比較器U2 的反相輸入端。另一路，+12VA 電源經(jīng)R2對C4 充電，使A 點電位逐漸升高，經(jīng)τ=1.1×R2×C4≈0.1ms，A 點電壓達到6V，加至比較器U2 的同相輸入端，使比較器U2的7 端輸出一個高電平“1”。這個高電平加至由兩個與非門組成的栓鎖式RS 觸發(fā)器的“S”置“Q”端。

首先，查看RS 觸發(fā)器在加電過程中的變化。剛加電時，由于A 點電位是通過R1、R2、C4 的作用，以冪指數(shù)形式逐漸升高到6V，所以B 點為“0”；經(jīng)過τ≈0.1ms 后，A 點電位超過穩(wěn)壓二極管 VR1 的 5.1V 后，B 點電位變?yōu)椤?”，即S 端為“1”，Q 端為“0”。同時，在剛加電時 ， R 端 （U4 的 12 端） 為“0”，隨著由+12VA 電源通過電阻R4 對電容C8 進行充電經(jīng)τ=1.1×R4×C8≈10ms 延時后，R 端電位為高電平，但由于Q 端已被置為“0”（或稱U4 的Q 端被栓鎖在“0”電平上，即便此時U4的9 端變?yōu)椤?”，也改變不了Q端的現(xiàn)狀，）故保持不變。

由于Q 端為“0”，經(jīng)兩個并聯(lián)的反相器U5 反相為高電平“1”，即對功率開關(guān)AC 管的門極（柵極）進行驅(qū)動。這就完成了加電后使AC 管進入導通狀態(tài)的過程。AC 管在正常工作情況下，一直處于導通狀態(tài)，即把一個700V 電壓加在DC 管的集電極。

但發(fā)生下列兩個情況時，AC 管將被切斷。

（1）當外電降低幅度較大時，使得經(jīng)整流和穩(wěn)壓后輸出的VA 電源變?yōu)?0V 以下時，將出現(xiàn)圖2 中A 點電位下降至5V，低于C 點電位5.1V 的情況。比較器U2 的輸出將發(fā)生變化，由“1”變“0”，使B 點為低電平，這一加在RS 觸發(fā)器S 端的狀態(tài)變化，將使Q 端輸出“1”電平，經(jīng)反相器U5，輸出一個低電平“0”加至AC 管的柵極，即這一低電平將AC 管關(guān)斷。注意到RS 觸發(fā)器的12 端一直為高電平“1”，此時由于Q 端變?yōu)椤?”而使11 端反饋一個低電平“0”加至 9 端，即 U4 的 Q 端被栓鎖在“1”電平上。一旦Q 端被栓鎖在“1”上，即使外電恢復 正 常 ， 使 U4 的 8 端 又 為“1”，也不會改變Q 端狀態(tài)，從而使這個開關(guān)長久脫離。

（2）在圖2 中，有個標有DC 管故障的方框，說明在發(fā)生DC 管短路或開路的故障時，經(jīng)DC 管故障判別電路送出一個低電平加至B 點，與非門RS 觸發(fā)器（U4）將被置位并且將AC 管切斷。

AC 管被切斷后，將由本板的外電檢測電路發(fā)出信號通知本機的功率開關(guān)控制器，從而把此開關(guān)從高壓供電系統(tǒng)中脫開。

1.1.2 DC 管的通、斷控制電路

對48 個功率開關(guān)模塊中的DC 管進行通或斷的控制指令，是來自本機的調(diào)制器控制系統(tǒng)。調(diào)制器控制系統(tǒng)根據(jù)音頻信號變化規(guī)律和功率開關(guān)進行循環(huán)工作的原則，對每個開關(guān)進行著控制。在每個功率開關(guān)控制器上都有一個光接收器來接收上述的由光纜傳遞的指令信號，經(jīng)通、斷控制電路發(fā)出高 電 平 （12V） 或 低 電 平（0V），控制DC 管導通或者截止。其線路原理，如圖3 所示。

光接收器U8 是一個帶有光電耦合管的施密特整形電路，在沒有光信號觸發(fā)下，它的輸出端為高電平“1”，表示拉開關(guān)。在收到光信號觸發(fā)時，它的輸出為低電平“0”，表示合開關(guān)。這個光信號來自環(huán)形調(diào)制器板上的對應的JK 觸發(fā)器，通過光發(fā)射器發(fā)來的合或拉這個開關(guān)模塊的指令信號。

光接收器U8 未收到光信號時（對應拉開關(guān)指令），其輸出端1 端為“1”，加至與非門U11的 6 端。因為與非門 U11 的 5 端為高電平，所以其輸出端4 端為“0”，又加至第二個與非門U11的 12 端。與非門 U11 的 13 端來自開關(guān)模塊輸出短路檢測電路，此時沒發(fā)生輸出端短路故障，所以檢測電路給出一個高電平加至此端。光接收器U8 沒有接收到光信號時，與非門U11的11 端輸出高電平“1”，使功率開關(guān)模塊DC 管的驅(qū)動電路U12 輸出一個低電平驅(qū)動DC 管的柵極，使DC 管截止。

光接收器U8 收到光信號時（對應合開關(guān)指令），輸出端1 端由“1”→“0”，使與非門U11的4 端輸出由“0”→“1”，從而又使與非門U11 的11 端輸出由“1”→“0”，這個低電平經(jīng)兩個并聯(lián)的反相器U12 后輸出高電平“1”，使得對應的DC 管導通。

圖 3 中， 與非門 U11 的 4 端還接至一個檢相電路，不管DC管被控制導通還是關(guān)斷，檢相電路都根據(jù)與非門U11 的4 端電平信號和實際DC 管的通斷狀態(tài)信號給以確認。如二者相符，則認為此模塊正常工作，否則將按故障給以相應處理。

圖3 DC 管狀態(tài)控制的電路圖

1.1.3 功率開關(guān)模塊輸出端短路保護電路

前面提到，每一個功率開關(guān)模塊都有自動檢測故障并實行保護的能力。這里我們分析當功率開關(guān)模塊的輸出端E17 和E18 之間出現(xiàn)短路時，如反向二極管CR11 擊穿是如何實行自身保護的，如圖4 所示。

在功率開關(guān)模塊中，DC 管的發(fā)射極至輸出端E18 間，有四個并接的精密電阻絲，總阻值為0.025Ω。正常工作時，兩端壓降很小，經(jīng)R5 和R6 接至功率開關(guān)控制器的光電隔離管U14 的發(fā)光二極管兩端，此時二極管不導通。

當功率開關(guān)模塊輸出端E17和E18 之間出現(xiàn)短路，流經(jīng)電阻絲中的電流加大，使其兩端壓降超過0.7V，則使功率開關(guān)控制器中的光電隔離管U14 中的發(fā)光二極管處于正向偏置而導通發(fā)光，光電隔離管U14 中的三極管在光的作用下隨之導通，從而使集電極5 端輸出由原先的高電平“1”跳變至低電平“0”，這個電平下降將對定時器U10 進行觸發(fā)。定時器U10 采用的是標準555 定時器電路，時間常數(shù)由圖4 中R24（47kΩ）和電容C26（10μF） 決 定 ， 即 τ =1.1 ×R24 ×C26≈0.5 秒 。 當 定 時 器U10 受到觸發(fā)后，其輸出狀態(tài)由低電平跳變至高電平，并開始延時周期，經(jīng)0.5 秒延時后，輸出狀態(tài)又恢復至原先的低電平。在定時器U10 輸出高電平的0.5 秒時間內(nèi)，這個高電平經(jīng)二極管CR4 的正向電阻很快對電容 C19 （0.01μF） 充電，經(jīng)電 阻 R25 使 非 門 U11 的 1 和 2 端獲得一個高電平，從而使與非門U11 的輸出端3 端輸出由“1”→“0”跳變。這個低電平“0”將向后面的電路發(fā)出一個低電平信號而使DC 管被切斷（在DC 管的通斷控制部分有述），若此時DC 管的通斷控制電路收到一個合這個DC 管的指令，則會由DC 管的工作狀態(tài)檢測及保護電路發(fā)出一個將AC 管切斷的信號，這塊有故障的功率開關(guān)模塊就從調(diào)制器的電路脫開了。

圖4 功率開關(guān)模塊保護電路圖

1.1.4 DC 管工作狀態(tài)檢測及故障保護

當功率開關(guān)模塊中的DC 管出現(xiàn)短路或開路故障時，首先由檢測電路檢測出來，然后將DC 管和AC 管先后切斷。檢測電路，如圖5 所示。

先分析DC 管正常時檢測電路的工作狀態(tài)。當DC 管沒有接通時，處于開路狀態(tài)，此時端子 E18=O （即 E18、 E17 同 電位，二極管CR3 正端為0，其負端因+12VB 電源向E 點提供一個高電位），故而使CR3 被反向偏置。E 點的高電位使異或門U9的12 端也獲得高電平“1”。加之其13 端由+12VB 提供的高電位，而使U9 的11 端輸出為“0”（見圖5 真值表所示）。這一低電平加至異或門U9 的輸入端5 端，其另一輸入端6 端的信號是來自光接收器收到的要求合或拉這個開關(guān)的信號，此時由于DC 管沒有得到合指令，則異或門 U9 的6 端為“0”，所以異或門U9 的4 端輸出“0”電平（在DC 管沒有發(fā)生故障時，此點電平總是為“0”），這個低電平對后面的電路不起作用。當DC 管接到合指令導通后，圖5 中E18 端子為700V，這個電壓將通過二極管CR3 和電阻R10、R9 和 R11 三只 39kΩ電阻對 E17端（700V 整流器負端）產(chǎn)生一個電流，由于二極管CR3 導通，使E 點被箝位在700V 上，同時由于+12VB 電源在B 點電壓跳變到 VB=700V 時 ， 也 跳 變 為+712V?？梢娫诋惢蜷TU9 的兩個輸入端， 將變?yōu)?3 端電位為+712V（“1”）而12 端電位為+700V（“0”）。根據(jù)真值表則其輸入端11 端此時輸入“1”，并加至異或門U9 的5 端。再看異或門U9 的6 端，此時由于有讓DC 合通的“1”電平指令，所以U9 的4 端仍輸出“0”電平，這個低電平對后面電路不起作用。

圖5 檢測電路圖

對DC 管故障時的情況分析。先看由于某種原因出現(xiàn)短路的情況。如果DC 管出現(xiàn)短路，那么無論是否有合DC 管的指令，它總是處于導通狀態(tài)，即圖 5 中 E18 端子總有 700V 電壓，使異或門U9 的11 端輸出為“1”，加至異或門U9 的5 端。這時，若對應沒有要求合這個開關(guān)的指令，則U9 的6 端應為“0”。這樣，U9 的4 端將輸出一個“1”電平。這個高電平經(jīng)二極管 CR2、電阻 R28 和 R21 使異門 U9 的 1 端為“1”，因其 2 端為“0”，所以輸出端3 端為高電平“1”，這個高電平將向后面電路通報故障。

再看當DC 管開路故障時的情況。只要DC 管為開路狀態(tài)，則E18=0V，即VB=0。異或門U9 的 11 端輸出“0”，加至異或門U9 的5 端，而這時若對應發(fā)來了一個合DC 管的指令，則異或門 U9 的 6 端為高電平“1”。根據(jù)真值表，這使得異或門U9的4 端輸出高電平“1”，所以異或門U9 的3 端輸出高電平“1”，向后面電路通報故障。

在圖2 中，有一個DC 管故障檢測電路的方框，它就是由圖6 電路中異或門U9 后面加上一個場效應管Q1 和一個光電耦合管U7 組成的，具體線路如圖6 所示。在這個電路中，場效應管Q1 的源極與一個特殊的光電耦合管U7 中的發(fā)光二極管串接后，接至+12VB 電源上，光電耦合管U7 中的三極管的發(fā)射極是接在▽A上的，其集電極接至RS觸發(fā)器U4的S端，如圖2所示。

當DC 管發(fā)生短路或開路故障后，由圖6 的異或門U9 的3 端將給出一個高電平“1”信號，此時Q1 場效應管導通，使得光電耦合管U7 中的發(fā)光二極管導通發(fā)光，光電耦合管U7 中的三極管在光的作用下也隨之導通，其集電極電位下降為低電平“0”，使 RS 觸發(fā)器 U4 的 Q 端被置“1”。經(jīng)反相器U5 把一個低電平“0”加在AC 管的柵極，使AC 管開路，并由功率開關(guān)控制器上的一個開關(guān)狀態(tài)及外電檢測電路發(fā)出信號通知本機的開關(guān)狀態(tài)板，把這個故障開關(guān)從高壓供電回路中脫開。

圖6 DC 管故障檢測電路圖

1.1.5 開關(guān)狀態(tài)及外電檢測電路

在此電路板上有一個專用于反應功率開關(guān)模塊狀態(tài)和外電變化情況的電路，如圖7所示。

其原理為：當加電使AC 管導通后，AC 管的發(fā)射極有一個700V 的直流電壓，經(jīng)圖7 中開關(guān)控制器中的電阻R11 和R12 的并聯(lián)與功率開關(guān)模塊中的電阻R13和 R14 分壓后，A 點對 AC 管的發(fā)射極（▽A 點）有一個-3.7V的電壓。這個電壓與功率開關(guān)控制器中的電阻R12 （10kΩ）和電容C11（0.001μF）共同決定著電壓/頻率轉(zhuǎn)換器U3 的輸出頻率，即它的頻率由下式?jīng)Q定：

圖7 開關(guān)狀態(tài)及外電檢測電路圖

上式中的10V 由電壓/頻率轉(zhuǎn)換器U3 內(nèi)部電路供給。在內(nèi)部電路中，電壓/頻率轉(zhuǎn)換器U3的輸出放大器管的集電極供電回路中串聯(lián)一只電阻R8 和一個光發(fā)射器U6。在功率開關(guān)模塊正常以及外電正常的情況下，電壓/頻率轉(zhuǎn)換器U3 輸出一個37kHz 的方波信號（占空比為0.5），在方波信號低電平期間，光發(fā)射器中無電流通過而熄滅。光發(fā)射器隨著37kHz 信號電平的變化，把相應頻率的一個光信號通過光纜發(fā)給調(diào)制器的控制系統(tǒng)。

當外電變高時，圖7 中A 點的電壓上升，則電壓/頻率轉(zhuǎn)換器U3 的輸出頻率也隨之升高；反之外電變低時，A 點電壓下降，輸出的頻率也隨之降低。

當功率開關(guān)模塊出現(xiàn)故障時，它的自身保護電路將把AC管拉斷，從而將圖7 中▽A 點的700V 電壓去除，則A 點也無電壓了，電壓/頻率轉(zhuǎn)換器U3 也沒有信號輸出了。

在調(diào)制器的控制系統(tǒng)中，由開關(guān)狀態(tài)板將48 個功率開關(guān)模塊發(fā)出的37kHz 信號進行電平匯總，控制系統(tǒng)將根據(jù)這個匯總的電平情況決定功率開關(guān)模塊可以提供的功率大小，從而自動調(diào)整應該閉合的開關(guān)數(shù)量。例如，當外電升高后，匯總電平也將升高，這表明每個功率開關(guān)可以提供的功率增加了，則實際閉合的開關(guān)數(shù)量可以相應減少，以保證輸出功率不變。反之外電降低時，應增加閉合的開關(guān)數(shù)量。

同樣，若某個功率開關(guān)損壞后，它的37kHz 信號也消失，調(diào)制器控制系統(tǒng)自動將這個故障開關(guān)模塊從整個電路中脫開。

圖7 中的二極管CR1 起保護作用，使電壓/頻率轉(zhuǎn)換器U3 的兩個輸入端不致產(chǎn)生過大的電位差。

2 典型故障分析和處理

在發(fā)射機維護過程中，功率開關(guān)模塊故障引起的發(fā)射機停播事故有很多。筆者結(jié)合維護經(jīng)驗，對一些典型故障進行分析。

2.1 功率開關(guān)模塊引起的開機后兩分鐘雜音問題

2.1.1 故障現(xiàn)象

（1）加高壓最初兩分鐘左右的時間里，輸出監(jiān)聽音質(zhì)極差；

（2）調(diào)制器中除一模塊直流端指示燈不亮，其他模塊均正常指示；

（3）調(diào)制控制器狀態(tài)板的指示燈都正常發(fā)光；

（4）2 分鐘左右后輸出音質(zhì)恢復正常，雜音消失，調(diào)制控制器狀態(tài)板指示燈有一指示燈滅；

（5）落高壓重新加高壓后上述（1）—（4）現(xiàn)象依舊。

2.1.2 故障判斷

出現(xiàn)該類故障的故障點一般為功率開關(guān)模塊、功率開關(guān)控制器或光纜線路。

常用的判斷方法：（1）先將正常功率開關(guān)模塊的光纜與疑似故障模塊的光纜對調(diào)，然后加高壓后查看疑似故障的功率開關(guān)模塊是否工作正常。如果正常，則是光纜線路的問題；如果不正常，則功率開關(guān)模塊和功率開關(guān)控制器都有可能是故障點。（2）在確定光纜線路正常的情況下，將疑似故障的功率開關(guān)模塊的開關(guān)控制器更換后，加高壓查看功率開關(guān)模塊是否正常。如果正常，則是功率開關(guān)控制器的問題；如果不正常，應該就是功率開關(guān)模塊的問題。

2.1.3 故障分析

加高壓后始終有一功率模塊無直流輸出（直流指示燈不亮），而高末級功率的直流饋電是由48 級功率模塊的輸出相疊加來提供的，就此進一步推斷故障點在PSM 調(diào)制器的功率模塊上。通過示波器觀察調(diào)制器輸出的屏壓取樣，波形也證實了調(diào)制器在其循環(huán)工作的一個周期的某段時間內(nèi)屏壓輸出較正常值小，功率模塊該合而未合就會造成此種現(xiàn)象，導致高末級屏壓的交流紋波較大，機器輸出雜音變壞，主要原因是光傳輸?shù)膯栴}。當一開機時，調(diào)制控制器認為該模塊開關(guān)導通，但這時由于光傳輸?shù)膯栴}，該模塊接收不到信號，故開關(guān)不導通，而過110秒后，同步檢測電路檢測到失步情況，將保護管拉斷。調(diào)制控制器接收不到本級開關(guān)回信號，不再安排它工作，所以在110 秒以內(nèi)，造成該模塊該合未合的現(xiàn)象。

2.1.4 故障處理

將發(fā)射機斷高壓，并斷開機保開關(guān)，用砂紙打磨光纜頭后清潔干凈，并重新緊固光纜插頭，同時檢查確認功率開關(guān)控制器上的光發(fā)生器和光接收器都正常。

2.1.5 改進建議

鑒于IGBT 的通斷時間為400～686 秒之間，可適當調(diào)整電 阻 R33、 R34 和 電 容 C33 的值，減少延時時間，以減少劣播時間。

2.2 功率模塊引起的持續(xù)雜音問題

2.2.1 故障現(xiàn)象

開機后，射頻輸出中有高頻（大約10～20kHz）雜音，過110 秒仍存在雜音。退音周后，仍然存在雜音。將功率降至5～6kW 時，觀察各功率開關(guān)模塊直流指示燈，其中有一塊直流指示燈較其他指示燈亮，更換此功率開關(guān)模塊的功率開關(guān)控制器后機器恢復正常。

2.2.2 故障分析

更換功率開關(guān)控制器后正常，這說明該功率開關(guān)控制器存在問題，根據(jù)產(chǎn)生雜音比較，發(fā)現(xiàn)與光傳輸產(chǎn)生的兩分鐘雜音較為相似。如圖3、圖8所示，根據(jù)測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)光接收器U8 損壞，始終輸出低電平，這樣使與非門U11 的4 端輸出高電平“1”，那么在沒有過載的情況下與非門U11 的11 端輸出低電平“0”，通過非門輸出高電平“1”導通開關(guān)管。同時，光接收器U8 輸出低電平“0”到與非門U11 的9 端，使與非門U11 始終保持高電平，110秒電路失去作用。通過與非門U11 的 4 端輸出高電平“1”到異或門U9 的6 端，這時一開機保護管是導通的，由于前面的問題開關(guān)管也是導通的，所以異或門U9 的5 端為高電平“1”與異或門U9 的6 端同步，以致同步檢測電路失去作用。這樣調(diào)制器認為該級模塊正常，當要求該級拉斷時，但該級卻無法拉斷，產(chǎn)生了“該斷未斷”的情況，從而在調(diào)制電壓上產(chǎn)生了紋波，致使雜音指標變壞。

圖8 DC 管狀態(tài)控制的電路

2.2.3 故障處理

將發(fā)射機斷高壓，并斷開機保開關(guān)，更換對應功率開關(guān)模塊上的功率開關(guān)控制器。

結(jié)束語

在對設備的維護過程中，我們要掌握設備的原理，并且不斷地總結(jié)維護的經(jīng)驗，才能在各種現(xiàn)象類似的故障中，通過抽絲剝繭，找到問題的根源。